第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)一、巖石的類(lèi)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.巖石的組成

巖石是礦物顆粒的集合體，顆粒之間或者靠直接接觸面上的作用力聯(lián)結(jié)，或者由外來(lái)的膠結(jié)物膠結(jié)。大多數(shù)巖石由兩種以上的礦物成分組成。

礦物是具有固定的化學(xué)成分和確定的物理性質(zhì)的天然無(wú)機(jī)化合物。除了硫、碳的礦物及少數(shù)金屬外，絕大多數(shù)礦物是由兩種以上元素組成的化合物。 主要造巖礦物一覽表（P22，表1-1）。

2.巖石的類(lèi)型 巖石可分為三大類(lèi)：

火成巖（巖漿巖）——由巖漿（硅酸鹽）容體冷凝而成。如花崗巖、玄武巖、 橄欖巖、安山巖等。

變質(zhì)巖——火成巖和沉積巖等由于高溫高壓作用或外來(lái)物質(zhì)的加入，改變了原來(lái)的成分、結(jié)構(gòu)，變成新的巖石。如花崗巖→片麻巖，石灰?guī)r→大理巖，石英砂巖→石英巖等。沉積巖——母巖風(fēng)化后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積和成巖作用而形成的巖石。如泥巖、砂巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽。

沉積巖類(lèi)型（1）碎屑巖

母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)）膠結(jié)在一起。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)礫巖：顆粒大于1mm。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。砂巖：顆粒0.1~1mm。石英、長(zhǎng)石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒+膠結(jié)物粉砂巖：介于砂巖和泥巖之間的一類(lèi)巖石，顆粒尺寸0.1~0.01mm。泥巖：顆粒小于0.01mm。主要成分為粘土礦物，并含有部分碎屑物質(zhì)（石英、長(zhǎng)石、云母等）。巨礫：＞1m；粗礫：100~1000mm；中礫：10~100mm；細(xì)礫：1~10mm粗砂：0.5~1mm；中砂：0.25~0.5mm；細(xì)砂：0.1~0.25mm（2）化學(xué)沉積巖

母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。 碳酸鹽巖——石灰?guī)r，主要成分為石灰石（CaCO3）白云巖，主要成分為白云石（MgCa(CO3)2） 硫酸鹽巖——石膏（CaSO4）巖鹽——石鹽（NaCl） 在沉積巖中：泥巖—60%，砂巖—30%，碳酸鹽巖居第三位。

3.沉積巖的特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。

特點(diǎn)：礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。

（2）構(gòu)造特點(diǎn)

構(gòu)造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置關(guān)系。如層理、頁(yè)理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

層理—巖石一層層迭起來(lái)的現(xiàn)象。傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。形成層理的原因：①顆粒大小在縱向上的變化②巖石成分在縱向剖面上的變化③某些礦物顆粒的定向排列顆粒大小變化巖石成分變化某些礦物顆粒定向排列

（3）各向異性和非均質(zhì)性

各向異性如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱(chēng)物體的這種特性 為各向異性。巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的方 向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。結(jié)晶礦物顆粒的定 向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向異性的特點(diǎn)。

不均質(zhì)性如果物體中的不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱(chēng)該物體是不均質(zhì)的。巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、 孔隙度（密度）的不均勻性所造成的。測(cè)定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)二、巖石的機(jī)械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）

1.概念

巖石的力學(xué)性質(zhì)——巖石受力后表現(xiàn)出來(lái)的變形特性和強(qiáng)度特性。

彈性——巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失，恢復(fù)到原來(lái)的形狀和體積的性質(zhì)稱(chēng)為彈性。相應(yīng)的變形稱(chēng)為彈性變形。

塑性——巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱(chēng)為塑性變形。

脆性——巖石在外力作用下變形量很小（小于3%）時(shí)就發(fā)生破壞的性質(zhì)。 相應(yīng)的破壞稱(chēng)為脆性破壞。

強(qiáng)度——巖石在外力作用下發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力。

抗拉強(qiáng)度—巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度—巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時(shí)的強(qiáng)度。

抗剪強(qiáng)度—巖石單純受剪切應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度—巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)彈性模量和泊松比楊氏模量：（1-26）（1-27）泊松比：（1-28）（1-29）彈性系數(shù)之間的關(guān)系：剪切模量：（1-30）

2.簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)

簡(jiǎn)單應(yīng)力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。

（1）試驗(yàn)方法

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

（2）一般規(guī)律：

①在簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現(xiàn)為脆性破壞。②巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類(lèi)有關(guān)。當(dāng)載荷較小時(shí)，彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當(dāng)載荷較大時(shí)，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。③在動(dòng)外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線(xiàn)虎克定律。 ④抗拉強(qiáng)度＜抗彎強(qiáng)度＜抗剪強(qiáng)度＜抗壓強(qiáng)度。

⑤垂直于地層層面方向的巖石強(qiáng)度＞平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 3.復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)

(1)三軸巖石試驗(yàn)

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3σ2=σ3σ2σ3

常規(guī)三軸試驗(yàn)：σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1壓縮拉伸σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3 (2)一般規(guī)律巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度增大。隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的也塑性越大。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱(chēng)為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠(yuǎn)不會(huì)破壞。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)σ3=0σ3=23.5σ3=500σ3=850σ3=1650σ3=3260XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1－σ3，MPaσ1－σ3，MPa

4.巖石的硬度和塑性系數(shù)硬度的概念 巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力。石油工業(yè)中的巖石硬度是壓入硬度，也稱(chēng)為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾提出的。

硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別： 硬度是巖石表面的局部抵抗另一物體壓入或侵入破碎時(shí)的能力，抗壓強(qiáng)度則是巖石整體抗壓碎能力。塑性系數(shù)表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。壓入硬度和塑性系數(shù)的測(cè)定方法——壓入試驗(yàn)

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

巖石硬度試驗(yàn)裝置

771—液缸缸體；2—液缸柱塞；3--巖樣；4—壓頭5—壓力計(jì)；6—千分表；7—柱塞導(dǎo)向桿6第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石硬度和塑性系數(shù)的計(jì)算：第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)塑性系數(shù)Kp:巖石按塑性系數(shù)分類(lèi)（1-31）硬度Py:

MPa第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)對(duì)脆性和塑脆性巖石：（1-32）MPa（1-33）對(duì)塑性巖石：巖石按硬度的分類(lèi)三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析

1.巖石結(jié)構(gòu)

（1）對(duì)晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。如武巖（斜長(zhǎng)石、輝石，6）＞白云巖（白云石，4）＞石灰?guī)r（石灰石，3）。（2）砂巖的強(qiáng)度隨著石英（7）含量的增加而增大；硅質(zhì)膠結(jié)＞鈣質(zhì)＞鐵質(zhì)＞泥質(zhì)。 （3）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強(qiáng)度降低。因此，巖石的強(qiáng)度一般隨埋藏深度的增加而增大。

2.井底各種壓力

（1）有效地應(yīng)力越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。 （2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。

3.載荷性質(zhì)的影響

（1）抗壓＞抗剪＞抗彎＞抗拉。 （2）巖石對(duì)動(dòng)載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，塑性系數(shù)減小。但在沖擊速度小于10米/秒時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜載時(shí)的數(shù)值。

在10000米深度范圍內(nèi)：

強(qiáng)度：巖鹽＜泥頁(yè)巖＜石灰?guī)r＜石膏＜白云巖，砂巖強(qiáng)度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)程度。塑性：巖鹽＞石灰?guī)r＞泥頁(yè)巖＞石膏＞白云巖＞石英巖第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)四、巖石的可鉆性和研磨性

1.巖石可鉆性(RockDrillability）

（1）概念

巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力。

（2）評(píng)價(jià)方法 在鉆壓889.7N（200磅）、轉(zhuǎn)速55r/min的固定條件下，用鉆頭直徑31.75mm（1-1/4in）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)2.4mm孔深所需要的時(shí)間td作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。 為應(yīng)用方便，常用Kd=Log2td作為可鉆性指標(biāo)，稱(chēng)為可鉆性級(jí)值。

（3）可鉆性分級(jí)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~